Redis 概念以及底层数据结构

2019-07-06 10:46发布

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Redis 简介

REmote DIctionary Server(Redis) 是一个由SalvatoreSanfilippo写的key-value存储系统。

Redis是一个开源的使用ANSI C语言编写、遵守BSD协议、支持网络、可基于内存亦可持久化的日志型、Key-Value数据库，并提供多种语言的API。

它通常被称为数据结构服务器，因为值（value）可以是字符串(String), 哈希(Map), 列表(list), 集合(sets) 和有序集合(sorted sets)等类型。

Redis特点

Redis 是完全开源免费的，遵守BSD协议，是一个高性能的key-value数据库。

Redis 与其他 key - value 缓存产品有以下三个特点：

Redis支持数据的持久化，可以将内存中的数据保持在磁盘中，重启的时候可以再次加载进行使用。
Redis不仅仅支持简单的key-value类型的数据，同时还提供list，set，zset，hash等数据结构的存储。
Redis支持数据的备份，即master-slave模式的数据备份。

Redis 优势

性能极高 – Redis能读的速度是110000次/s,写的速度是81000次/s 。

丰富的数据类型 – Redis支持 Strings, Lists, Hashes, Sets 及 Ordered Sets 数据类型操作。

原子 – Redis的所有操作都是原子性的，同时Redis还支持对几个操作全并后的原子性执行。

丰富的特性 – Redis 还支持 publish/subscribe, 队列，key 过期等等特性。

Redis对象类型简介

Redis是一种key/value型数据库，其中，每个key和value都是使用对象表示的。比如，我们执行以下代码：

redis＞ SET message "hello redis"

其中的key是message，是一个包含了字符串"message"的对象。而value是一个包含了"hello redis"的对象。 Redis共有五种对象的类型，分别是：

类型常量对象的名称REDIS_STRING字符串对象REDIS_LIST列表对象REDIS_HASH哈希对象REDIS_SET集合对象REDIS_ZSET有序集合对象

Redis中的一个对象的结构体表示如下：

typedef struct redisObject { 
 
 // 类型 
 unsigned type:4; 
 // 编码方式 
 unsigned encoding: 4; 
 
 // 引用计数 
 int refcount; 
 
 // 指向对象的值 
 void *ptr; 
 
} robj;

type表示了该对象的对象类型，即上面五个中的一个。但为了提高存储效率与程序执行效率，每种对象的底层数据结构实现都可能不止一种。encoding就表示了对象底层所使用的编码。

Redis对象底层数据结构

编码常量编码所对应的底层数据结构REDIS_ENCODING_INTlong 类型的整数REDIS_ENCODING_EMBSTRembstr 编码的简单动态字符串REDIS_ENCODING_RAW简单动态字符串REDIS_ENCODING_HT字典REDIS_ENCODING_LINKEDLIST双端链表REDIS_ENCODING_ZIPLIST压缩列表REDIS_ENCODING_INTSET整数集合REDIS_ENCODING_SKIPLIST跳跃表和字典

字符串对象

字符串对象的编码可以是int、raw或者embstr 如果一个字符串的内容可以转换为long，那么该字符串就会被转换成为long类型，对象的ptr就会指向该long，并且对象类型也用int类型表示。普通的字符串有两种，embstr和raw。embstr应该是Redis 3.0新增的数据结构,在2.8中是没有的。如果字符串对象的长度小于39字节，就用embstr对象。否则用传统的raw对象。

#define REDIS_ENCODING_EMBSTR_SIZE_LIMIT 44 
robj *createStringObject(char *ptr, size_t len) { 
 if (len <= REDIS_ENCODING_EMBSTR_SIZE_LIMIT) 
 return createEmbeddedStringObject(ptr,len); 
 else 
 return createRawStringObject(ptr,len); 
}

embstr的好处有如下几点：

embstr的创建只需分配一次内存，而raw为两次（一次为sds分配对象，另一次为objet分配对象，embstr省去了第一次）。
相对地，释放内存的次数也由两次变为一次。
embstr的objet和sds放在一起，更好地利用缓存带来的优势。

raw和embstr的区别可以用下面两幅图所示：

列表对象列表对象的编码可以是ziplist或者linkedlist

ziplist是一种压缩链表，它的好处是更能节省内存空间，因为它所存储的内容都是在连续的内存区域当中的。当列表对象元素不大，每个元素也不大的时候，就采用ziplist存储但当数据量过大时就ziplist就不是那么好用了。因为为了保证他存储内容在内存中的连续性，插入的复杂度是O(N)，即每次插入都会重新进行realloc。如下图所示，对象结构中ptr所指向的就是一个ziplist整个ziplist只需要malloc一次，它们在内存中是一块连续的区域。

linkedlist是一种双向链表。它的结构比较简单，节点中存放pre和next两个指针，还有节点相关的信息。当每增加一个node的时候，就需要重新malloc一块内存。

哈希对象哈希对象的底层实现可以是ziplist或者hashtable。 ziplist中的哈希对象是按照key1,value1,key2,value2这样的顺序存放来存储的。当对象数目不多且内容不大时，这种方式效率是很高的。

hashtable的是由dict这个结构来实现的, dict是一个字典，其中的指针dicht ht[2] 指向了两个哈希表

typedef struct dict { 
 dictType *type; 
 void *privdata; 
 dictht ht[2]; 
 long rehashidx; /* rehashing not in progress if rehashidx == -1 */ 
 int iterators; /* number of iterators currently running */ 
} dict; 
typedef struct dictht { 
 dictEntry **table; 
 unsigned long size; 
 unsigned long sizemask; 
 unsigned long used; 
} dictht;

dicht[0] 是用于真正存放数据，dicht[1]一般在哈希表元素过多进行rehash的时候用于中转数据。 dictht中的table用语真正存放元素了，每个key/value对用一个dictEntry表示，放在dictEntry数组中。

集合对象集合对象的编码可以是intset或者hashtable intset是一个整数集合，里面存的为某种同一类型的整数，支持如下三种长度的整数：

#define INTSET_ENC_INT16 (sizeof(int16_t)) 
#define INTSET_ENC_INT32 (sizeof(int32_t)) 
#define INTSET_ENC_INT64 (sizeof(int64_t))

intset是一个有序集合，查找元素的复杂度为O(logN)，但插入时不一定为O(logN)，因为有可能涉及到升级操作。比如当集合里全是int16_t型的整数，这时要插入一个int32_t，那么为了维持集合中数据类型的一致，那么所有的数据都会被转换成int32_t类型，涉及到内存的重新分配，这时插入的复杂度就为O(N)了。 intset不支持降级操作。

有序集合对象有序集合的编码可能两种，一种是ziplist，另一种是skiplist与dict的结合。 ziplist作为集合和作为哈希对象是一样的，member和score顺序存放。按照score从小到大顺序排列 skiplist是一种跳跃表，它实现了有序集合中的快速查找，在大多数情况下它的速度都可以和平衡树差不多。但它的实现比较简单，可以作为平衡树的替代品。它的结构比较特殊。下面分别是跳跃表skiplist和它内部的节点skiplistNode的结构体：

/* 
 * 跳跃表 
 */ 
typedef struct zskiplist { 
 // 头节点，尾节点 
 struct zskiplistNode *header, *tail; 
 // 节点数量 
 unsigned long length; 
 // 目前表内节点的最大层数 
 int level; 
} zskiplist; 
/* ZSETs use a specialized version of Skiplists */ 
/* 
 * 跳跃表节点 
 */ 
typedef struct zskiplistNode { 
 // member 对象 
 robj *obj; 
 // 分值 
 double score; 
 // 后退指针 
 struct zskiplistNode *backward; 
 // 层 
 struct zskiplistLevel { 
 // 前进指针 
 struct zskiplistNode *forward; 
 // 这个层跨越的节点数量 
 unsigned int span; 
 } level[]; 
} zskiplistNode;